膜で情報処理?

車で走っていたら鳥の大群が空を舞い、雨のようにフンを降らせていきました。

フロントガラスについてしまったフンを洗浄液+ワイパーで流そうとしたら、これがまた左右のワイパーがどちらもギリギリ届かないところにある。

ホント、こういう細かいところはツイてないんです。

それでいて、今年はつくばとロンドンに半分ずつ住んでいながら、大地震にも大暴動にもあっていないんだから、大きいところではツイているんです。

鳥の糞がついていようが心穏やかに、本題です。


今日はPhysics Updateの” A classical oscillator takes the sideband route to the quantum ground state”から。
http://www.physicstoday.org/daily_edition/physics_update/a_classical_oscillator_takes_the_sideband_route_to_the_quantum_ground_state

ミクロの膜の振動のエネルギーを極限まで減らしていき、その結果、エネルギーが最低の状態と2番目に低い状態のどちらかにいるような状態が作れた、ということでおおよそよろしいのではないかと思います。そして、振動数が今までのものよりも小さいというのがウリなようです。不思議なもので、最低のエネルギーが1で2番目に低いエネルギーが2だとしたら、それらの間のエネルギー(たとえば1.5など)は取りえないというのが知られています。

こういったミクロの世界を記述する量子力学の性質を利用して、情報処理を行う研究が近年盛んにおこなわれています。量子コンピュータとか、量子テレポーテーションとか、いかにもすごそうな名前がついています。

この辺の詳細の話は私が説明するよりもっといいものがWeb上に転がっているはずなのでここではしませんが、今回取り上げた研究は将来的に情報処理のストレージに使われるかもしれないとのことです。いろんな高度な技術を駆使しているとはいえ膜を振動させているだけですから、「なんのこっちゃ?」と思えるでしょうが、まあ不思議なものです。ミクロの膜を作って振動させることが将来の期待を負うわけだから、どんな技術が有用になるかなんてなかなか想像がつかないものです。

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80年かけてたどりつく

ドラム式洗濯機を買ったのに、横幅が大きすぎて設置できませんでした。

寸法測ったはずなのに、ぎりぎりダメでした。まあ、私らしいですな。

搬入予定の夜7時まで洗濯せずに待っていたのに、悲しかったなあ。

それにしても、あの日立の洗濯機は少なくともこのアパートでは全戸で使えないわけだから、売り上げで損をしているんじゃないですかね。ほかのマンションでも入らないトラブルが多いそうですし。買いたくても買えませんからねえ。独自技術を置いといても、真っ先に改善すべき点じゃないですかね。

と、余計なお世話を焼かせていただいて、本題です。


今日は雑誌Scienceのbreakthrough of the year 2010から。
http://www.sciencemag.jp/breakthrough/2010/index.html以下、最初の部分だけ引用します。

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The First Quantum Machine –初の量子機械

量子力学でなければ説明できない仕組みで動く振動子、これが現実の概念を検証するのか

フォード社のモデルTのように手頃ではないかもしれないが、今年発表されたごく小さなマシーンは、理論的には、有名なこの自動車をはじめあらゆるマシーンを吹き飛ばしてしまう。これまですべての機械は、普通の物体の運動を支配する古典力学の法則に従って動いてきた。それに対して新しい機械は、量子力学という分子、原子、素粒子を支配する不可思議な法則でのみ説明できるモードで軽く振動する。この初の量子機械は、無数の実験装置や我々の現実感を検証する世界への扉を開いた。その可能性と創意工夫により、今年のBreakthrough of the Yearとする。

量子力学のおかげで、極小領域が日常的な世界とは異なることが分かった。量子論によると、離散量でのみエネルギーを吸収できる極微小の物体は、完全に静止することができず、全く同時に2箇所に存在することができる。科学者は、このような量子効果やさらに不思議な効果を無数の原子、分子、素粒子、光、電流、液体ヘリウムなどを使った実験で見てきた。しかし、人工的な物体の運動でそのような効果を見た者はいない。
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リンク先に記事が和訳されて載っていますが、正直言って分かりづらいです。私の理解力よりも、訳の問題だと思います。あまり深く踏み込まないようにしましょう。

量子力学は原子分子などの微小なものの自然現象を説明してきましたが、確かに、量子力学でしか動作を説明できないような「機械」を人工的に作った例はなかったのでしょう。量子力学がほぼ確立したのは1930年くらいのようですから、約80年かけてようやくここまで来たわけですか。そう考えると、そのインパクトはすごいでしょうね。

機械といっても板が振動するだけのようですけど、重ね合わせの状態があったり、最低のエネルギーがゼロでなかったり、通常ではありえないようなことが起こるということで、それは確かにブレークスルーなんですよ。普通の感覚ではロボットの方がはるかにすごい機械で、この量子機械を見ても何がすごいのやらさっぱり分からないと思いますけど。

研究者でも基礎的な研究成果の価値を判断するのは難しいと思います。いろんな研究者に聞いたら、いろんな答えが返ってくるでしょう。しかも、発見当時はあまり評価を受けていなくても、後になって価値が上がってくることは多々ありますからねえ。数十年後には、2010年に発見されたほかの研究成果の方が重要になっていることだって当然あり得ます。研究を評価するだけのための専門家がいてもいいくらいです。Science誌の編集や記事を書いている人は、それに近いんでしょうか。まあ、彼らの判断を鵜呑みにするのは危険でしょうが、こうして記事を読んで、「へえー、今年こんなのがあったんだ。」と知るだけでも我々の足しになります。(ちなみに、物理の研究者なら記事を見る前から当然知っているだろう、とお思いの方。決してそんなことはございません。たいていの場合、ちょっと分野が違えば知らないものです。人にもよりますが。)

私はこの成果がすごいのはわかるけど、この先どう進展するのかを説明できません。分野がぴったり合った専門家じゃないと答えられないんじゃないですかね。しかも、専門家でも今後を完全に予想するのは不可能といっていいでしょう。ただ、漠然と思うのは、やっぱり人工的に作れたというのが大きいんじゃないでしょうか。もちろん、科学から社会への応用を考えれば重要な第一歩でしょうし、理学から工学に展開して、その技術の進歩がまた理学を発展させるというのはよくあることですから。人工的に作れれば、実験条件をある程度思うように変えることができて、理解が進むでしょう。

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光が凍る?

シチューを作ろうと思ったら、人参を切らしておりました。

スーパーに買いに行って、今日作ったらシチューのルーがなくなっちゃうと思い、買っておいて損はないだろうとシチューのルーも2箱購入しました。

家に帰って、妻曰く
「シチューばっかりじゃなくてカレーにすればよかったのに。」


・・・確かに

さて本題です。


今日は、日本物理学会誌、Vol. 65, No. 2, 2010, pp.89-93から。以下、引用します。

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非古典光の冷却原子集団への保存と再生

秋葉圭一郎、上妻幹旺

光子は最も早く伝搬し堅牢な量子情報のキャリアであるが、光子を止めることが出来ないことから情報処理を行うにあたって光子の量子メモリが必要となる。我々は量子情報処理において多用されているパラメトリック下方変換光を電磁誘起透明化により冷却原子集団に保存し再生することに成功し、またその際の非古典性の保持を確認した。本稿ではこの実験について紹介する。
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量子力学を積極的に情報処理に応用する量子情報処理に関するお話です。伝搬の速さや堅牢性から情報を伝達する媒体として光は適していますが、止まらないだけに情報処理を行うのが難しいということです。そこで、光の情報を原子に保存して処理し、再び光として再生しようとしているようです。

どうやって光の情報を保存するかというと、なかなか難しくてざっくり説明するしかないと思うのですが、原子に共鳴する周波数を持つ光(プローブ光)は原子に吸収されるのですが、もう一本別の周波数で共鳴する光(コントロール光)を照射してあげると、先程まで吸収されていたプローブ光が透過するのだそうです。このとき原子の屈折率が大きく変わって光の速度が極端に遅くなり、さらにコントロール光の強度を下げていき最終的に遮断すると、プローブ光は原子集団の中で停止すると予想されるのだそうです。そして、もう一度コントロール光を逆過程で照射してあげると、止まっていた光を再び再生できるのだそうです。

この時点でかなり難しい話ですが、この文献では非古典光を保存・再生する研究について述べられています。この辺の話になってくると、光子(光の粒)の相関の話とか、単一光子の話とか、どんどん深淵になってくるので、私ごときのブログではこの程度でやめておきます。

この文献には出てきませんが、光が原子集団中に止まってしまった状態を、「光が凍結する」と表現することがあるようです。こういう表現のしかた、なかなかセンスあるなあと思います。こういうのを日本語で考えるのも大変ですけど、科学はどうしても英語が共用語ですから、英語でつけなければならなくて大変です。もっとも、この件に関しては、おそらく名付け親はアメリカ人じゃないかと思うので、言葉の壁はないんでしょうけど、freezeと表現したのは素晴らしいと思います。実は私つい最近、仕事で英語のネーミングについて考えなければならないことがありまして。なかなか生粋の日本人には難しいですよ。そもそも表現がなかなか出てこないし、考えついてもニュアンス的に合っているか、変な意味だったりネガティブな意味に取られないか等々、悩ましいものです。

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未来のコンピューター

毎年冬になるとりんごをお取り寄せする青森のナカムラ果樹園さんなのですが、パンフレットに会員専用パスワードが記載されています。あれでよろしいのでしょうか?

しかし、りんごはメチャクチャうまいですということだけは強調させていただいて、本題です。

今日はパリティ、Vol. 24, No.12 2009-12, pp.32-35から。妻から「パリティばっかりだなあ。」とクレームが付いてますが、読んじゃったんだから仕方がない。以下、タイトルと簡単な要旨のみ、引用します。

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量子コンピューターでの困難解決の一歩

チャールズ・デイ (村田惠三 訳)

NMRの技術を借りて、πパルスのタイミング取りの微妙な調整により、量子コンピューターでの困難である量子情報の勝手な変化(デコヒーレンス)を抑えることができる。
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量子コンピューターを用いると、現在のスーパーコンピューターでも1千万年かかると言われている300桁の素因数分解を、数十秒で解けてしまうと言われています(http://www.nec.co.jp/rd/innovative/E3/top.htmlより)。従来のコンピューターとは原理的に異なっています。従来のコンピューターは「0」か「1」の数字を表すビットをいろいろ操作して計算していくのですが、量子コンピューターの場合には「0」と「1」の重ね合わせで表される量子ビットというものが使用されます。重ね合わさったまま計算処理すれば、従来なら何回も計算処理しなければならなかったのが一度でできるということで良いと思います。詳しくは上記のホームページを参照していただいた方がよろしいでしょう。

さて、この量子コンピューターですが、デコヒーレンスというのが実現への重大な問題となっています。誤解を恐れずにごく簡単に言えば、外部環境に影響を受けて各量子ビットの重ね合わせ状態がバラバラに変化してしまうということでよろしいかと思います。どういった量子ビットを用いるかによるでしょうけど、デコヒーレンスは1/1000秒位の非常に短い時間で起こってしまうようです。

こうしたデコヒーレンスの問題を解決するために、スピンエコーというNMRで用いられる技術を用いるのだそうです。ちなみに、最近体内の3D画像を取るのに医療現場で用いるMRIはNMRを応用したものです。スピンエコーというのは、スピンの向きが徐々に変わってきたところで瞬間的にラジオパルス(電磁波の一種)を印加してスピンの向きを正反対にして、その後逆の変化をたどって元のコヒーレントな状態に戻ることを利用した手法ということで良かろうかと思います(説明がざっくり過ぎて正確ではないと思いますけど)。この実験では、量子ビットとして磁場と電場で捕獲されたベリリウムという元素のイオンを用いました。また、一言でスピンエコーと言ってもいろいろなパルスの系列があるらしく、この実験ではCPMGおよびUDDと呼ばれるパルス系列について結果を比較しています。CPMGやUDDについては私は詳しく知りません。

結果を説明するのがまたややこしく、一言ではなかなか言えないのですが、雑音の周波数が高い場合にはUDDがよく、周波数が低い場合には両者に大差がないということで、大体よろしいかと思います。ただし、UDDの方が良いと言っても、コヒーレンスが持続する時間は2.5 ms (1ms = 1/1000秒)くらいで、これが十分に長いのかどうかは専門家でないと判断がつかないと思います。この手法が量子ドットや超伝導体などのほかの量子ビットに適用できるかなどの問題も残っているようですので、まだ決定的な解決方法とまではいかないのでしょう。

量子コンピューターの研究はここ10年くらい非常に精力的に進められてきましたが、取り上げられているデコヒーレンスの問題や集積化の問題などがあり、まだまだ研究が必要だと思います。まあ、問題がなくなったら研究ネタがなくなってしまうので、解決困難な問題があるというのは研究者にとってはある意味良いことなのだと思います。量子ビットに何を使うかにしても、イオンや原子、半導体の量子ドットや超電導体のジョセフソン接合など候補がいっぱいあって、未だに決着が付いていないようですし。長い目で見て、今後の進展に期待といったところでしょう。

本ネタのようにイオンの場合なんて、おそらく実験装置を見ても、コンピューターだとは全く思えないんじゃないかと思います。真空装置の中の空間にイオンを一つ一つ並べて、光やラジオ波ををあてるわけですからね。ちなみに、この研究成果を出したのはNISTというアメリカの研究所で、秒やメートルやキログラムなどの単位を正確に決める計量標準の研究開発を行っています。こうした研究所で量子コンピューターの研究を行っているところが、アメリカの懐の深さなんでしょうか?ちなみに、NISTのイオンに関する研究といえば、おそらく現在世界最高の精度をもつイオン時計があります。

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量子もつれの雑な説明

巨人が日本シリーズに進出してしまいましたね。

現在名古屋の実家に帰った妻にこの現実が受け入れられているか心配ですが、本題です。

前回持ち越した「量子もつれってなに?」について説明したいと思います。しかし、私もそこまで詳しいわけではないので、かなり無謀なところもあるでしょうが。とりあえず現時点で私が「こんなことなんじゃないかな?」と考えていることを書いてみます。数式に頼らず、概念的なことを例え話を使って何とか書いてみます。もっとよく理解していらっしゃる方がこの記事を読んで、「そりゃおかしいだろ」と思ったら、遠慮なく「バーカ」と思ってください。

せっかくなので、野球の話でいきます。野球に興味のない方もいるかと思いますが、そこは何とか雰囲気だけでついてきてください。

今年のドラフトの超目玉のK投手。サウスポーで軽々150km/hの速球が投げれてコントロールも抜群、50年に一度の逸材といわれています。当然全球団が欲しかったんだけど、なぜか「横浜か巨人にしか行かない」と言い出し、結局ドラフト会議で横浜と巨人のくじ引きとなりました。箱の中にアタリくじ1つとハズレくじ1つが入っていて、両チームの監督が1つずつくじを引きました。まだ開封していないのでくじの結果は分かりません。このときのことを考えます。

当然ですが、横浜がアタリくじを引けば巨人はハズレくじを引きます。逆に、横浜がハズレくじを引けば巨人はアタリくじを引きます。つまり、横浜の引いたくじの種類によって、巨人のくじの種類がおのずと決まります。このように片方の状態が確定すると、もう片方の状態が確定するという状態が、「量子もつれ」とイメージ的には同じなんです。とりあえず、ここでは「量子もつれもどき」と呼んでおきましょう。強引に量子力学的にいうと、くじを開封する前のこの状態を「横浜がアタリくじを引いて巨人がハズレくじを引く状態と、横浜がハズレくじを引いて巨人がアタリくじを引く状態の重ね合わせの状態」といいます。

突然何を言い出すんだと思われる方も多いでしょう。「ただの言葉遊びだろう」、「話をややこしくしただけ」って思う人も多いでしょう。私もそう思います、この時点では。結局のところ、確率50%でどちらかがアタリくじを引き、もう一方がハズレくじを引くのは変わらないんだから。

しかし、来シーズンのことを考えると、決定的に違います。通常の(古典力学の)世界では、くじを開封し、どちらかがK投手を獲得します。横浜が獲得すれば、「来シーズンは3位以内に入って、夢のクライマックスシリーズに進めるかも。(ワクワク)」と思うだろうし、巨人が獲得すれば、「来年も巨人が優勝するのかなあ(ションボリ)」と思うわけです。

しかし、量子力学の世界だと、摩訶不思議な進行をします。そもそもくじを開封しません。くじは重ね合わせの状態のままなんです。おそらく、K投手は横浜なのか巨人なのかはっきりしないままプレーして来シーズンを終えます。その結果、「横浜が優勝して巨人が最下位」「横浜が最下位で巨人が優勝」「横浜が2位で巨人が5位」...などなどの重ね合わせになるんです。量子力学って、大体こういうイメージなんです。唖然とされた方も多いでしょう。「なぜ?」といわれても、それがミクロな世界を記述する量子力学の世界なんだとしか、私には言いようがありません。こんな摩訶不思議な世界で、片方の状態が確定するともう片方の状態が確定するという状態が「量子もつれ」なんだということで、おおよそ良いのではないかと思います。

この説明を読み終わっても、私が横浜ファンだということが分かっただけで、量子もつれについては余計分からなくなってしまったでしょうか?まあ、何が分からないかが分かったというだけでも、相当な進歩だと思います。私なんぞ、何が分からないかが分からないなんてのは、よくあることですから。量子もつれを応用した「量子テレポーテーション」や「量子コンピュータ」にご興味のある方は、リンク先をどうぞ。一般向けの本もたくさん出ていると思います。


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プロフィール

バラッくま

Author:バラッくま
色々あったのち東京深川在住の科学技術系の研究者。
クマに似ている。最近はカピバラにも似ている。
専門: 量子エレクトロニクスなど。
休みのときは、(有休を取ってまでして)落語、スキューバダイビング、スポーツ観戦(相撲など。両国が近いのでうれしい。)、音楽鑑賞などを少しずつ。

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